代码重定位的思考(3)----位置无关代码PIC

demon

作者： 快乐水牛
转自http://www.renesas-mcu.com/read.php?tid=44&fpage=2

编译器在编译一段程序时，要经过三个步骤：编译，链接和加载。在链接时，要对所有目标文件进行重定位，建立符号引用规则，同时为变量，函数等分配地址。程序执行时，把代码加载到链接时指定的地址空间，以保证程序在执行过程中对变量，函数等符号的正确引用，是程序正常运行。
但是，在操作系统中，一个进程通常从硬盘等二级存储设备拷贝到内存中去执行，这两者的地址是不同的，因此操作系统要对这个进程进行重定位，才能正确运行该进程。
在设计系统引导程序如bootloader时，也要对代码进行重定位。因为我们为了提高速度，需要将bootloader从ROM拷贝到RAM中去执行，这两者的地址也不同。
拷贝bootloader的这一小段代码是上电后就开始执行的，这些代码即使不在链接时指定的地址空间也能正确运行，这就是位置无关代码(position independent code)。

PIC的特点是，它被加载到任意地址空间都可以正确的执行。其原理是PIC对常量和函数入口地址的操作都是基于PC+偏移量的寻址方式。即使程序被移动，但是PC也变化了，而偏移量是不变的，所以程序仍然可以找到正确的入口地址或者常量。
例如：SH里面的BRA指令就可以用来设计PIC
BRA _main
编译后：
_main * 2 + PC -> PC

在SH体系中，MOV指令操作一个常数或者函数入口地址，比如：
MOV.L #_main, R0
MOV.L #H'FF010010,R0
编译器通常将这个常数或者地址存放在(2)里面的literal pool中。
请注意：literal pool里面实际上只存放绝对地址或者常量！！
因此，我们可以得出一个结论：
使用literal pool并不能产生位置无关代码，因为在literal pool里面存放的是函数入口的绝对地址或者常数，移动程序后，这些内容并没有改变。
在设计bootloader时，一个可行的方法是，将bootloader链接到RAM里面的指定位置(0x1000000)，然后将bootloader加载到ROM里面的地址0x0处，CPU上电从ROM地址0x0执行。此时的bootloader的运行地址为0x0，而链接地址为0x1000000。由于bootloader头部的一小段代码是位置无关代码，它仍然可以在地址0x0处运行，并将整个bootloader拷贝到RAM地址的0x1000000处，然后清除bss段并设置堆栈，最后将main()的绝对地址(链接时的地址)，比如0x1000100装入PC，并跳转到RAM里去。
MOV.L #_main, R0
JSR @R0
NOP
执行到这里后，程序就从ROM跳转到RAM里面了。
指令MOV.L _main, R0之前的所有指令都是位置无关代码。由于MOV指令会把main的绝对地址0x1000100放入literal pool，因此执行JSR @R0之后，程序就跳转到RAM里面的0x1000100处了。
至此，bootloader就在链接时指定的地址处运行了，这时它就可以在RAM里使用literal pool里面的绝对地址来进行函数的跳转或者操作常数了。这与重定位之前的情况是一样的。

值得一提的是，在有操作系统的系统中，不可能把进程都用PIC来写(编译器不能将C程序完全编译成PIC)，由于进程可以随意的从硬盘加载到内存中，因此必须从硬件上来实现重定位，比如重定位寄存器。x86提供代码段，数据段，堆栈段重定位寄存器，操作系统通过修改这些寄存器，来重定位内存中的代码，数据和栈。